木星的大氣帶不是一般地厚
【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】幾個世紀以來，天文學家一直在觀察木星旋轉的表面，並對它的外觀感到敬畏和困惑。直到1995年，伽利略號探測器到達木星，並開始深入研究其大氣層時，這個謎團才變得更加神秘。從那時起天文學家就對它的彩色條紋感到困惑，並懷疑它們是否只是表面現象，或者更深層的現象。
木星色彩斑斕的條紋是綿延數千公里的雲帶。圖片信息及版權：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill
多虧了自2016年7月以來一直繞木星運行的「朱諾號」(Juno)航天器，科學家們現在更接近於回答這個問題了。在過去的一周里，有三項新的研究發表在《朱諾數據》上，這些數據顯示了木星磁場的新發現，它的內部旋轉，以及它的帶延伸的深度。所有這些發現都在修正科學家對木星大氣層及其內部層的看法。
這項研究的題目是「木星的非對稱重力場的測量」，「木星的大氣噴射流延伸數千公里」和「對木星深層內部的差異旋轉的抑制」，所有這些都在2018年3月7日發表在《自然》雜誌上。這些研究由羅馬薩皮恩扎大學的盧西亞諾·伊斯教授和魏茨曼科學研究所的伊萊·加蘭蒂教授和維茲曼科學研究所的伊萊·加蘭蒂教授領導。
朱諾於2017年12月16日飛越木星的南極。圖片信息及版權：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/David Marriott
這項研究是由卡斯皮教授和加蘭蒂博士領導的，他們是第二項研究的主要作者，同時也是其他兩項研究的合著者。這對夫婦甚至在2011年「朱諾」號發射之前就已經準備好進行這種分析，在此期間建立了數學工具來分析引力場數據，並更好地掌握木星的大氣層及其動力學。這三項研究都是基於朱諾收集的數據，因為它每53天從木星的一個極點傳到另一個北極，這是一種被稱為「perijove」的操作。通過每一關探測器使用先進的儀器來觀察大氣層的表層之下。此外探測器發射的無線電波被測量，以確定它們是如何被行星的引力場以每一個軌道移動的。
天文學家已經了解了一段時間，木星的噴射流從東到西，從西到東。在這個過程中破壞了地球上的均勻分布。通過測量地球重力場的變化(以及由此造成的質量不平衡)，卡斯皮博士和加蘭蒂博士的分析工具能夠計算出風暴在地表下的深度和內部動力是什麼樣的。最重要的是，研究小組希望發現異常現象，因為地球偏離了一個完美的球體——這是由於它的快速旋轉會輕微地擠壓它。然而也在尋找其他的異常現象，因為大氣中存在著強大的風。
這張來自朱諾的照片，只在可見光下拍攝到了南極。為什麼南北兩極如此相似，卻有不同數量的氣旋，這是一個謎。圖片信息及版權：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Betsy Asher Hall/Gervasio Robles
在第一項研究中，Iess博士和他的同事們使用了精確的多普勒追蹤的「朱諾號」探測器，對木星的重力諧波進行了測量，這兩種方法都是很奇怪的。他們所確定的是木星的磁場有南北的不對稱性，這表明了大氣中的內部流動。在第二項研究中，對這種不對稱性進行了分析。在卡斯皮博士的研究中，Galanti博士和他們的同事們利用地球重力場的變化來計算出木星東西射流的深度。通過測量這些噴射物如何導致木星重力場的不平衡，甚至擾亂了地球的質量，得出結論它們延伸到3000千米(1864英里)的深度。
從這一切中Guillot教授和他的同事們進行了第三次研究，他們使用了之前關於地球引力場和急流的發現，並將結果與室內模型的預測進行了比較。由此他們確定行星的內部旋轉幾乎就像一個剛體，而不同的旋轉會下降得更遠。此外大氣流動區域擴展到2000公里(1243英里)和3500公里(2175英里)之間，這與從奇異的重力諧波得到的約束是一致的。這個深度也對應於電導率會變得足夠大，以至於磁阻會抑制微分旋轉。
根據他們的發現，研究小組還計算出木星大氣佔總質量的1%。相比之下地球的大氣層還不到總質量的百萬分之一。不過正如卡斯皮博士在威茲曼研究所(Weizzmann Institute)的新聞稿中所解釋的那樣，這相當令人吃驚：這比任何人想的都要多，而且比太陽系其他行星所知道的還要多。那基本上是一個質量等於三個地球以每秒幾十米的速度運動。總之這些研究為木星的大氣動力學和內部結構提供了新的線索。目前，木星核心的主體仍未解決。但研究人員希望分析朱諾的進一步測量結果，以確定木星是否有一個固態核(如果是的話)，以確定它的質量。
這反過來將幫助天文學家了解太陽系的歷史和形成。此外Kaspi和Galanti正試圖利用他們開發的一些相同的方法來描述木星的噴射流來處理其最標誌性的特徵——木星的大紅斑。除了確定這場風暴有多深，他們還希望了解為什麼這場風暴持續了這麼多世紀，以及為什麼它近年來顯著萎縮。朱諾號的任務預計將在2018年7月完成。除非有任何的擴展，探測器將在運行了perijove 14之後，對木星的大氣層進行控制。然而即使在任務結束後，科學家們仍將分析其多年來收集的數據。這揭示了太陽系最大的行星，也將對揭示太陽系的理解大有幫助。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：Weizmann Institute of Science, Nature, Nature (2), Nature (3),
作者：Matt Williams
內容：經「博科園」判定符合今主流科學
來自：Universe Today
編譯：中子星
審校：博科園
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